密码学系列之:NIST和SHA算法

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简介

SHA算法大家应该都很熟悉了,它是一个用来计算hash的算法,目前的SHA算法有SHA1,SHA2和SHA3种。这三种算法都是由美国NIST制定的。

NIST的全称是美国国家标准与技术研究所,主要来制定各种标准。

本文将会讲解下NIST和SHA各种算法的关系。

SHA1

在密码学中,SHA-1(Secure Hash Algorithm 1)是一种加密哈希函数,它接受一个输入,并产生一个160位(20字节)的哈希值,称为信息摘要。

我们先看下SHA1的加密流程图:

上面的A,B,C,D,E都是32bits的state。

F是一个非线性函数。

<<< 表示额是左移操作,红色的加号表示的是加法然后对232取模。

SHA1算法很简单,在2005年之后,SHA1被认为是不安全的,截至2010年,许多组织都建议更换SHA-1。

NIST在2011年正式废止了SHA-1的使用,并在2013年不允许将其用于数字签名。

所有主要的网络浏览器厂商在2017年都停止接受SHA-1 SSL证书。

SHA2

SHA-2(Secure Hash Algorithm 2)也是由美国国家安全局(NSA)设计的一组加密哈希函数,于2001年首次公布,它们采用Merkle-Damgård结构。

SHA-2和SHA-1相比,包括了重大的变化。SHA-2系列包含六个哈希函数,分别是SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。

我们看下SHA2的算法流程:

我们看下这几个函数表示什么意思:

SHA3

2006年,NIST组织了NIST哈希函数竞赛,以创建一个新的哈希标准SHA-3。SHA-3并不是要取代SHA-2,因为目前还没有证明对SHA-2的重大攻击。但是由于MD5、SHA-0和SHA-1的成功攻击,NIST认为需要一种可替代的、不同的加密哈希,这就是SHA-3。

在这个比赛中,最终Keccak算法胜出,被选为SHA3的标准。

SHA3算法是基于海绵结构的,我们看下海绵结构的工作原理:

这个函数被分成了两部分,左边部分叫做吸收部分,右边部分叫做输出部分,一吸一出,像是海绵一样,所以叫做海绵函数。

P表示的是输入的字符串,Z表示的时候输出字符串。

一个海绵函数由三部分组成,分别是state, 函数f和填充函数pad。

state就是上图的r+c部分,r被称为Bitrate, c被称为Capacity

P被分成n份,每一份都会跟Bitrate进行异或操作,如果P的长度不是Bitrate的整数倍,那么需要使用Pad函数进行填充。

每一轮,Bitrate跟P进行异或操作的结果作为最新的Bitrate, 然后生成新的state,然后这个state又被f(state)来替换。

其中函数 f 是 从n个{0,1} 到n个{0,1}的映射。

就这样一轮一轮进行下去,直到所有的P都参与了运算。

输出部分是将最终生成的state进行f运算,每次运算都取Bitrate部分作为输出,从而得到最终的输出。

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